轉(zhuǎn)向油罐油氣分離模擬分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

姜育鋒，許昭，種博軒，高曉東

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

引言

隨著城市進(jìn)程的加大推進(jìn)，越來越多的工程重型卡車投身于城市建設(shè)中。然而，由于工作環(huán)境惡劣、長時(shí)間持續(xù)工作、系統(tǒng)壓力大等多方面因素影響，液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)常發(fā)生油液泄露等問題，尤其是作為回路中儲(chǔ)液功能的轉(zhuǎn)向油罐，既要保證密封，又要將系統(tǒng)因高溫，高壓工作產(chǎn)生的油氣分離徹底，與大氣相通保證內(nèi)外氣壓平衡。所以，轉(zhuǎn)向油罐的油氣分離結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將是我們需要重點(diǎn)攻堅(jiān)的一個(gè)課題。以往的設(shè)計(jì)都是基于一些工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員怎樣提升油氣分離效率把握性很小，要經(jīng)過反復(fù)的驗(yàn)證過程，并且這種設(shè)計(jì)過程不能對(duì)后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)提供強(qiáng)力的理論支持。

轉(zhuǎn)向油罐油氣分離結(jié)構(gòu)一般為擋板式分離腔體，位于油罐頂部。傳統(tǒng)的開發(fā)方法為根據(jù)對(duì)標(biāo)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不斷的進(jìn)行油氣分離試驗(yàn)對(duì)比，不斷優(yōu)化改進(jìn)，試驗(yàn)成本高，開發(fā)周期長。而應(yīng)用CFD 仿真技術(shù)，結(jié)合商業(yè)流體軟件，模擬油氣分離器內(nèi)的流場(chǎng)、壓力損失及分離效率，可以直觀地對(duì)油氣分離器內(nèi)的氣體流動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并能迅速進(jìn)行方案優(yōu)化。

本文通過對(duì)油罐油氣分離結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)研究了影響油氣分離的主要機(jī)理，指出了結(jié)構(gòu)對(duì)于油氣分離效果的影響，最后設(shè)計(jì)了一種簡單有效的驗(yàn)證方法進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證，為后續(xù)油氣分離器的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)理論

氣液兩相流的數(shù)值模擬包括氣相場(chǎng)和氣液間的相互干擾計(jì)算。相互間干擾即氣液兩相間的動(dòng)量、能量、質(zhì)量的交換過程，常見的算法可以分為歐拉算法和歐拉一拉格朗日算法。歐拉一歐拉算法比較繁瑣，并且計(jì)算成本很高，因此，本研究采用歐拉拉格朗日算法，對(duì)氣相流場(chǎng)采用歐拉方法進(jìn)行計(jì)算，由于油氣分離中，油的粒徑較為隨機(jī)，不好確定，且油與氣之間互不相容，故這里采用VOF（Volume of Fluid）模型，追蹤從分離結(jié)構(gòu)從入口到出口的油氣占比，及出口油氣分布情況?？刂品匠贪ㄟB續(xù)性方程［1］、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率方程。氣相流場(chǎng)計(jì)算的連續(xù)方程為：

動(dòng)量守恒方程：

式中，ρ為流體介質(zhì)的密度；t 為時(shí)間；u 為速度矢量；下標(biāo)m 表示液相或氣相；μ為動(dòng)力粘度；p 為流體介質(zhì)的壓力，S 為動(dòng)量方程廣義源項(xiàng)。

相比于標(biāo)準(zhǔn)口k-ε模型，RSM 模型和大渦模型，RNGk-ε模型通常被認(rèn)為是關(guān)于旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的理想選擇［2］，考慮到分離中的高速旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)對(duì)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的影響，采用RNGk-ε模型來進(jìn)行兩相流計(jì)算。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

某轉(zhuǎn)向油罐在裝車試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)油氣分離器頻繁出現(xiàn)滴油故障，油滴滴在下方軟管上，造成大面積的污染。長此以往，如果油滴不及時(shí)排出，會(huì)造成油氣分離器堵塞，油罐內(nèi)壓力失衡，造成罐口滲漏，嚴(yán)重影響車輛的外觀，如下圖1所示。

圖1 油氣分離器出口滴油

轉(zhuǎn)向油罐的油氣分離器一般位于油罐頂部，油氣分離結(jié)構(gòu)一般分為擋板結(jié)構(gòu)、螺旋離心結(jié)構(gòu)和復(fù)合型結(jié)構(gòu)［3］。本文所研究轉(zhuǎn)向油罐的原始油氣分離器為螺旋離心結(jié)構(gòu)，主要由外殼、螺旋分離結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流管組成，如下圖2a)所示。油氣從分離器的下端入口1 進(jìn)入到螺旋狀分離通道2 中，經(jīng)過離心分離冷卻，冷卻的油滴順著螺旋通道回流到油罐內(nèi)。剩余油氣經(jīng)過結(jié)構(gòu)頂部的導(dǎo)流管流出到出口3，通向大氣。

從原始油氣分離器結(jié)構(gòu)分析，有以下幾個(gè)問題，一方面油氣分離通道過于狹窄，冷卻回流的油滴和新進(jìn)入分離通道的油氣相遇，會(huì)將部分回流的油帶到導(dǎo)管入口，部分油滴直接排出，造成滴油故障。另一方面，因油氣進(jìn)入分離器內(nèi)初速較小，利用螺旋分離效果不顯著。油氣的分離路徑簡單，未設(shè)置多級(jí)隔板進(jìn)行分級(jí)分離。

綜合以上問題，作者設(shè)計(jì)了兩種改進(jìn)結(jié)構(gòu)A 和結(jié)構(gòu)B，詳見圖2b)和圖2c)。

改進(jìn)結(jié)構(gòu)A 設(shè)置了2 級(jí)隔板，進(jìn)行較大直徑油氣的捕捉和油氣的分級(jí)分離，頂部隔板上方設(shè)計(jì)了迂回的分離腔體，用來分離小直徑的油滴，油氣經(jīng)過小分離腔體的通氣孔通向大氣。

改進(jìn)結(jié)構(gòu)B 共設(shè)置了5 級(jí)隔板，通過優(yōu)化油氣分離的路徑實(shí)現(xiàn)多級(jí)分層分離。最下方隔板設(shè)置了較大的油氣入口，然后向上逐級(jí)更改油氣的路徑，增加隔板捕捉油滴的幾率［4］，經(jīng)過四級(jí)分離后，分離后的油氣從最頂部兩個(gè)通氣孔中通向大氣。

圖2 油氣分離器CAD 結(jié)構(gòu)

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算分析模型

VOF 方法作為一種比較成熟的流場(chǎng)追蹤方法，可以實(shí)時(shí)觀察出口氣液兩相占比。空氣作為主相，油作為次相。三維模型由STAR-CCM+軟件建模，對(duì)油氣分離器的內(nèi)表面進(jìn)行提取。

3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

網(wǎng)格采用Trimmer，Prism Layer Mesher 模型，基本尺寸1mm，網(wǎng)格數(shù)16 萬。如圖3 所示。

邊界條件：

邊界設(shè)置如圖4 所示。 入口條件：流量入口，0.002kg/s，油氣體積占比1:1。 出口條件：速度出口，分離比例1.0。

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 油氣分離器網(wǎng)格劃分

4 CFD 結(jié)果分析

4.1 出口壓力將對(duì)比

表1 進(jìn)出口壓降對(duì)比

改進(jìn)結(jié)構(gòu)A和改進(jìn)結(jié)構(gòu)B 相比原結(jié)構(gòu)，壓降都大幅下降。改進(jìn)結(jié)構(gòu)A 壓力降最小，改進(jìn)結(jié)構(gòu)B 壓力降比原結(jié)構(gòu)降低了70%。兩種結(jié)構(gòu)都滿足油氣分離器的壓降要求。

4.2 流線及油相體積占比分布

圖5 油氣分離器流線及油相體積占比分布

從圖5 中三種不同結(jié)構(gòu)切面油相占比圖可以看出，原始結(jié)構(gòu)中，油氣混合流體從入口到出口位置油相的占比都比較大，分離效果不顯著，且油相分布較集中，這樣在油氣管路中容易堆積油液，從而形成油路的堵塞，不利于油氣分離器工作。

結(jié)構(gòu)A 整體分離效率比較高，在經(jīng)過兩層擋板后，進(jìn)入出口位置時(shí)，油相占比明細(xì)降低，大部分油相在分離器底部聚集。

結(jié)構(gòu)B 油氣分離效率也比較高，經(jīng)過5 級(jí)隔板，經(jīng)過四級(jí)分離后，大部分油相在分離器底部聚集，經(jīng)過分離的氣體由最頂部兩個(gè)通氣孔中通向大氣。

4.3 出口油氣占比對(duì)比

圖6 出口處油的體積占比分布云圖

從出口油相占比分布，也可以看出，原結(jié)構(gòu)出口油相分布非常集中，結(jié)構(gòu)A 和結(jié)構(gòu)B 經(jīng)過擋板，出口油相占比明顯降低。

結(jié)構(gòu)A 與結(jié)構(gòu)B 均能起到較好的油氣分離效果，但是結(jié)構(gòu)A 由于側(cè)面及頂部間隙過小，加工有一定難度，工藝可行性不高，故最終確定結(jié)構(gòu)B 方案作為油氣分離器的結(jié)構(gòu)。

5 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的對(duì)比驗(yàn)證

本文利用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)來模擬在車輛實(shí)際使用過程中轉(zhuǎn)向油罐油氣分離器的分離情況，臺(tái)架搭建見圖7a)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)臺(tái)架由電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵，電機(jī)可控制泵的轉(zhuǎn)速在0~2000r/min 變化。負(fù)載閥代替轉(zhuǎn)向機(jī)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)負(fù)載的變化，系統(tǒng)壓力可在0~15MPa 變化。將3 種油氣分離器的轉(zhuǎn)向油罐分別串入臺(tái)架，按圖7b)轉(zhuǎn)向油泵定轉(zhuǎn)速?zèng)_擊試驗(yàn)［5］曲線進(jìn)行10min 交變載荷對(duì)比測(cè)試。分離器出口前放1 張白色吸油紙，待試驗(yàn)結(jié)束后觀察白紙上是否存在液壓油痕跡，由此判斷油氣分離器的分離效果。

圖7 油氣分離器的驗(yàn)證

6 結(jié)論

（1）通過油氣分離的CFD 模擬分析，可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出油氣分離器結(jié)構(gòu)對(duì)油滴分離效率的影響，這為工程設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)，明確了設(shè)計(jì)方向；

（2）CFD 計(jì)算對(duì)比結(jié)果表明，隔板布置型式和油氣分 離的路徑對(duì)油氣分離器的分離效果有重要影響；

（3）利用轉(zhuǎn)向臺(tái)架簡單有效的評(píng)估油氣分離器分離效果，從而提高了油氣分離器的設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)度；

（4）選定改進(jìn)結(jié)構(gòu)B 作為最終設(shè)計(jì)方案，在后期整車試驗(yàn)中也進(jìn)一步驗(yàn)證了油氣分離器的分離效率，驗(yàn)證結(jié)果表明，改進(jìn)結(jié)構(gòu)B 滿足產(chǎn)品油氣分離要求。